Как бежит ток по проводам

Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток в проводниках.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

P.S. Направление тока в электрических схемах имеет важное значение. Во многих случаях если схема рассчитана на одно направление тока, а вы случайно его поменяете на противоположный или вместо постоянного тока подключите переменный, то скорее всего устройство просто выйдет из строя. Многие полупроводники, что работают в схемах, при обратном направлении тока могут пробиваться и сгорать. Так что при подключении электрического питания направление тока должно быть вами строго соблюдаться.

Электричество течёт по проводам?

И это справедливо не только для простых людей, но и для учёных. Во всяком случае, короткого и всеобъемлющего определения данного явления так и не появилось. Вот пара цитат.

«Определять чётко, что такое электричество, в настоящее время не следует… И если сделать вывод, то сегодня мы чёткого определения понятия электричеству дать не можем.» (Копылов И.П.) [1],[2]

Если Вы не знаете профессора Копылова, то вот цитата другого исследователя, о котором Вы наверняка слышали, и который знал про электричество значительно больше, чем многие знают и сегодня.

«День за днем я задавался вопросом, что же такое электричество, и не находил ответа. С тех пор прошло восемьдесят лет, и я по-прежнему задаю себе тот же вопрос, но не в состоянии ответить на него.» (Никола Тесла) [3]

Общераспространённое представление об электрическом токе

Многие считают электричество и электрический ток одним и тем же, хотя это разные понятия. Также многие уверены, что электричество — это некий поток электронов, движущийся по проводам от источника питания (электростанция, генератор, батарейка, аккумулятор и т.п.) к электроприбору и приводящий его в работу. Почти как бензин в топливопроводе машины.

Но вот несколько причин, по которым данное представление не может быть верным (помимо того, что ток идёт не от «+», а от «-«).

• Скорость движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1,5 мм2 (стандарт для бытовой системы освещения) составляет… 0,05 мм/с. [4] На этом отрезке умещается более 100 тысяч атомов. Если представить их цепочкой бильярдных шариков, то они будут располагаться с дистанцией между ними примерно равным самим шарикам. Если бы энергия передавалась простым физическим столкновением электронов, им бы потребовалось некоторое время на передачу по цепочке импульса к движению. При такой скорости, после нажатия клавиши выключателя на стене, лампочка на потолке загорелась бы отнюдь не мгновенно.
• В отличии от батареек, в наших электросетях переменный ток. Это означает, что он постоянно меняет своё направление. Так что электроны в проводе вообще никуда не движутся. Они просто колеблются туда-сюда практически на одном месте. В России это происходит 50 раз в секунду.
• Проводов, идущих без разрывов от электростанции до наших домов, не существует в природе. На этом пути стоит множество подстанций с трансформаторами, в которых нет прямого контакта проводов. Электроны там физически не в состоянии перескочить с одной катушки на другую.
• Сегодня представление об электроне, как некой физической частице, в принципе находится под вопросом. Наука пересматривает традиционную модель атома с орбитами электронов. Квантовые физики говорят о вероятностном электронным облаке вокруг ядра, где электрон «размазан» по всему объёму.

Из всего этого можно сделать вывод, что не сами электроны приводят в действие электроприборы. Так что же, а главное каким образом течёт по нашим проводам?

Официальное определение электрического тока

Для начала посмотрим, как электрический ток объясняется в энциклопедиях. Вот первые два предложения из его определения в «Физической энциклопедии»:

«Электрический ток – направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т.п.). Количественно электрический ток характеризуется вектором плотности электрического тока…» [5]

Далее идут разъяснения, которые простому человеку будут мало понятны. Нам надо просто запомнить, что для электрического тока не обязательно нужны именно электроны. Электроны – это лишь один из возможных носителей, передающих заряды. И именно эти заряды являются электрическим током.

Теперь посмотрим более доступное для понимания определение в Википедии:

«Электрический ток или электроток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.» [6]

Тут надо обратить внимание на то, что скорость движения передаваемой энергии превышает скорость движения самих носителей заряда, достигая практически скорости света.

Из всего этого следует, что электрический ток – это вовсе не движение электронов по проводу. Более того, скорость его передачи не связана со скоростью и направлением движения электронов.

Электрический ток и электричество

Да и сам электрический ток и электричество — это разные понятия. Вот определение электричества из Большой Советской Энциклопедии:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов — электростатического поля; см. Электростатика). Движущиеся заряды (Электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме, т. о., является составной частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения. [7]

Т.е., электричество — это нечто большее, чем просто электрический ток, который является лишь одним из его проявлений.

А далее — самое интересное. Оказывается, электрическая энергия (не путать с электрическим током) вообще не передаётся внутри провода. Но чтобы это понять, ознакомимся немного с природой электричества.

Электричество и электромагнитные волны

В середине XIX века британский физик Джеймс Клерк Максвелл проанализировал все известные на тот момент формулы, описывающие явления электричества и магнетизма. Сегодня они свелись всего к четырём уравнениям. Но одно из них противоречило остальным. Чтобы привести его в соответствие, Максвелл чисто математическим путём добавил в него ещё одно слагаемое, перекликающееся с частью другого уравнения.

Так появилось математическое описание взаимодействия меняющихся в пространстве электромагнитных полей. Через несколько лет оно было подтверждено уже экспериментально другими физиками. Сегодня мы называем это явление электромагнитными волнами.

Длинна этих волн измеряется в сантиметрах или метрах, а частота колебания – в герцах (в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который был в числе подтвердивших выводы Максвелла экспериментальным путём). В зависимости от частоты колебания, электромагнитные волны охватывают весь спектр излучений от низкочастотных и радиоволн до гамма-излучения.

Выяснилось, что для передачи электромагнитных волн никакой среды (воздух, вода, металл) не требуется. Они передаются и в полном вакууме, как бы цепляясь друг за друга.

Электричество вокруг нас

Из вышесказанного, можно сделать два интересных вывода:

• Во-первых, электрическая составляющая есть во всех видах излучения, включая видимый нами свет.
• Во-вторых, для передачи энергии этой составляющей провода не являются обязательным условием. При желании, можно обойтись и без них. Но пока это будет сложнее.

Электричество не течёт внутри провода, как вода в шланге. И разрыв «шланга» не всегда означает прерывание передачи электричества. Ведь не сам поток электронов заставляет работать наши машины и приборы. Их приводит в действие энергия, которая передаётся электромагнитным полем, распространяющимся в пространстве вдоль провода.

Где передаётся энергия

Даже при проводной передаче электричества энергия передаётся вдоль провода, но не в нём самом. Вот фрагмент фильма «Основные физические понятия технической электродинамики» [8] :

«…энергия течёт в пространстве, окружающем провод, но не в самом проводе.»

Заключение

Говоря об электричестве, следует разделять понятия электронов, зарядов, тока носителей этих зарядов, электро-магнитных волн и энергии. Все эти понятия тесно связаны между собой, но не одно и то же. Электричество — это совокупность взаимодействий всего вышеперечисленного, а не только электрический ток.

По проводам текут электрические заряды, что не равно току самих частиц, например, электронов. При переменном токе электроны вовсе никуда не текут, вибрируя на месте. А заряды текут, но не по всему сечению проводника, а в его поверхностном скин-слое. Но при постоянном токе электроны текут, причём по всему сечению проводника. Заряды приводятся в движение электромагнитным полем, для распространения которого наличие проводов (или любой другой среды) не является обязательным условием. Электромагнитные волны передаются и в вакууме. Поэтому, и разрыв провода в катушках трансформатора не является проблемой. Электрическая энергия и электрический ток — это не одно и то же. Энергия передаётся вдоль поверхности провода, но не в нём самом (в отличии от тока).

Полного и всеобъемлющего описания электричества на данный момент всё ещё не существует. Представление большинства людей об электричестве, как неком потоке электронов, текущих внутри непрерывного провода, как вода в шланге, и приводящем в движение наши приборы и машины, является заблуждением.

Сам же проводной способ передачи электричества экономически эффективен при использовании электромагнитных волн частотой 50-60 герц. И эту частоту нельзя увеличивать бесконечно. После определённого предела провод превратится в антенну, излучающую энергию во все стороны в виде радиоволн. В конечном итоге, лампочка на другом его конце просто не сможет гореть. Зато в будущем мы вполне сможем получать энергию для неё и вовсе без проводов. Электричество повсюду вокруг нас. Вспомните про солнечные панели, которые превращают в электрический ток электромагнитные волны оптического диапазона, излучаемые Солнцем

Примечания и ссылки:

1. Копылов Игорь Петрович (1928-2014), доктор технических наук, профессор, почетный профессор кафедры «Электромеханика» Московского энергетического института, Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР. Почётный академик Инженерной Академии РФ, почётный академик Академии Электротехнических Наук РФ.
2. Интервью И.П. Копылова, начиная с отметки 7:30.
3. Сейфер Марк, «Никола Тесла. Повелитель вселенной», издательство «Яуза», 2007 г., стр.14.
4. Физика металлов. Расчет скорости движения электронов в металлах.
5. «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 5, стр. 515.
6. Википедия, статья Электрический ток.
7. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, том. 30, стр. 48, стлб. 130.
8. «Основные физические понятия технической электродинамики», «Леннаучфильм», 1978 г., отм. 10:50.
9. Образовательный портал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», видео 2.4.
10. Скин-эффект, «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 4, стр. 541.
11. Википедия, статья Скин-эффект.
12. Портал «Большая Энциклопедия Нефти и Газа», статья «Полый провод».
13. Портал «База патентов СССР», патент №17464.

Вам могут понравиться и другие подобные статьи, например:

1. Человек на 80% состоит из воды и на 99% из пустоты?
2. Вес и масса, или как взвешивать картошку на Луне
3. Холодный космос

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.

Что такое электрический ток

«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.

«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.

«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.

Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.

Чуть сложнее: что же такое электрон?

Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.

Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.

Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.

Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.

Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.

Как ток бежит по проводам

Для начала метафора:

• Представьте, что у вас есть труба.
• С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
• С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
• Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.

Как это переносится на электричество:

• У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
• В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
• В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
• Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).

Чуть сложнее: как на самом деле бежит ток

На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.

Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.

Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.

Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов

Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:

Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.

Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.

Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.

Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.

Что такое постоянный и переменный ток?

Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.

Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.

Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.

В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.

Что такое короткое замыкание?

Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.

Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.

Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.

Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.

Что нужно знать гуманитарию про ток?

Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.

Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.

Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.

Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.

Как в реальности протекает электрический ток?

Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность.
Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).

Какие бывают носители зарядов?

Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока.
Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.

Как заряды движутся в металлах?

Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии.
Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.

Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.

Как заряды движутся в полупроводниках?

Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+».
Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает.
Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).

Как заряды движутся в газах и жидкостях?

В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.